Теория и практика сжигания топлива

Теория и практика
сжигания топлива
к.т.н., доцент Перескок С.А.
Цель дисциплины – подготовить специалистов,
способных эффективно решать задачи по организации
сжигания топлива в цементных вращающихся печах.
После изучения дисциплины студент должен иметь:
- знания о свойствах различных видов топлива;
- умение рассчитывать основные показатели процесса
горения;
- знания об особенностях сжигания различных видов
топлива в цементных вращающихся печах и способах
оптимизации процессов горения топлива при обжиге
цементного клинкера;
- знания проведения технологической,
теплотехнической и экологической оценки различных
видов топлива.
ТОПЛИВО
I. Твердое
Дрова
Торф
Бурый уголь
Каменный уголь
Антрацит
Сланцы
Производные
полукокс ≈500 0С
кокс ≈ 1000 0С
брикеты
ТОПЛИВО
II.Жидкое
Нефть
III. Газ
tкип
бензин 40…2000С
лигроин
- // керосин
- // соляр.масло - // мазут > 350 0С
Природный газ
СВОЙСТВА ТОПЛИВ
Твердое и жидкое
С – углерод
Н – водород
О – кислород
S = Sк + Sо – сера
N – азот
A – зола
Л – «летучие»
W – влага
Ср – рабочая масса
Сс – сухая
% по массе
Ст – горючая
Ср = Сг ∙100 – (Ар + Wр)
100
Ср = Сс ∙100 - Wр
100
____100_____
г
р
С =С ∙
100– (Ар + Wр)
СВОЙСТВА ТОПЛИВ
Газообразное
СН4: С2Н6 : С3Н8….СО2; Н2 : СО : N2
% по объему
2. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ
Qв – «высшая»
Qнр – «низшая»
(Qокисл + Q кондН2О)
Qокисл
Qб – «в бомбе»
(Qокисл + Q кондН2О + Q раствSO2 : NO)
ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ
Qнр = 339Ср + 1030 Нр – 109(Ор – Sр) – 25 Wр кДж/кг т
Qнр = 358 СН4 + 638 С2Н6 + 913 С3Н8 + 1169 С4Н10 +
1461С5Н12 + 126СО + 108Н2 кДж/кг т
•Газ
Qнр = 35…42 МДж/м3
•Мазут Qнр = 37…43 МДж/кг
•Уголь Qнр = 10…35 МДж/кг
•Бензин Qнр = 44,3 МДж/кг
Бурый уголь 10 – 17МДж/кг
Каменный
20 - 27 МДж/кг
Антрацит
30 - 35 МДж/кг
Сланцы
6 - 10 МДж/кг
УСЛОВНОЕ ТОПЛИВО
[Qнр ] усл.= 7000 ккал/кг ≈ 29,31 МДж/кг
Kn 
р
н
Q
р
[ Qн ] усл.
3. РАСЧЕТ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
С + О2 → СО2
4 Н + О2 → 2Н2О
S + О2 → SО2
СН4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О
С2Н6 + О2 → СО2 + Н2О
О2 – 21 %
воздух
N2 – 79 %
α – 1,03...1,2
Loв = ... Lдв = Loв ∙ α
Lп.г. = LСО2 + LН2О + LSО2+ LN2+ Lизб.О2
4. ТЕМПЕРАТУРА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ
min tо возгорания на воздухе без огня
Дрова
Торф
Бурый уголь
250...300 оС
300...400 оС
Газ
550...800 оС
СН4
650...790 оС
С2Н2
335...550 оС
- // 350...450 оС
Каменный уголь 400...500 оС
Антрацит
Мазут
700...800 оС
5. ТЕМПЕРАТУРА ВСПЫШКИ
min tо воспламенения в присутствии огня
мазут 80...200 оС
6. ВЯЗКОСТЬ
М 20, 40, 60, 80, 100
при t = 50 оС
7. ОГНЕУПОРНОСТЬ ЗОЛЫ
8. ВЛАЖНОСТЬ
9. ПОГОДОСТОЙКОСТЬ
Склонность к воспламенению
С + О2 → СО2 + q
FeS + О2 → Fe2O3 + SO2 + q
10. ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ
Qнр + Qтф + Qвгор = Qп.г. + Qдисс + Qпот
10.1. Калориметрическая
tк =
Qнр+Qтф+Qв
Lп.г. ∙ Сп.г.
10.2. Теоретическая
tт =
Qнр+Qтф+Qв –Qдисс
Lп.г. ∙ Сп.г.
10.3. Действительная (практическая)
tд =
Qнр+Qтф+Qв –Qдисс –Qо.с.
Lп.г. ∙ Сп.г.
tд =
η· tк
η=0,6...0,9
11. ЖАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
(величина справочная)
Максимальная температура при сжигании
на воздухе при α = 1,0
r =
Qнр____
Lп.г. ∙ Сп.г.
rс – 2240 оС
rгаз – 2100-2200 оС
rН2 – 2240 оС
rмазут – 2000-2040 оС
rСО – 2378 оС
rС2Н2 – 2620 оС
rкам.уголь – 2190 оС
ВИДЫ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
Состав, %
Вид
газообразного топлива
CН4
Природный
газ
8299
0,5-8,0
0,14,0
0,12,3
Попутный газ
38 76
13 -23
5,5 10,7
0,9 2,7
С2Н6
С3Н
С4Н10 С5Н12
ρ,
кг/м3
Qнр,
МДж/
м3
N2
CO2
H2S
0-6,8
0,73,8
0-0,6
-
0,70,9
35 - 42
0,22,2
13,523
0,2–
0,8
0,5
0,971,2
40 -47
8
Н2
СО
СН4 СnHm
CO2
N2
O2
ρ,кг/м3
Qнр,
МДж/
м3
Коксовый газ
57,0
6,0
14,0
3,0
3,0
7,0
-
0,342
17,6
Сланцевый газ
24,7
10
16,2
5
16,4
26,8
0,7
1,04
13,4
Генераторный
газ
13,0
27,6
0,6
-
6,0
53,2
0,2
1.14
5,15
Доменный газ
3,0
3,0
-
-
8,0
58,0
-
1,28
4,1
Основные характеристики и
реакции горения газов
ГАЗ
РЕАКЦИЯ ГОРЕНИЯ
ТЕПЛОТА
СГОРАНИЯ Ккал/м3
ВЫСШАЯ НИЗШАЯ
РАСХОД
ВОЗДУХА
ДЛЯ
СЖИГАНИЯ
ГАЗА 1 м3
ГАЗА
СО2
Н2О
N2
ВСЕГО
НИЖНИЙ
ВЕРХНИ
Й
ОБЪЕМ ПРОДУКТОВ
СГОРАНИЯ НА 1 м3
СГОРЕВШЕГО ГАЗА, м3
ПРЕДЕЛЫ
ВОСПЛАМЕНЕНИЯ,
% ОБЪЕМА
ТЕМПЕРАТУРА
ВОСПЛАМЕНЕНИЯ
°С
Водород
H2 + 0,5O2 = H2O
3040
2580
2,38
-
1,0
1,88
2,88
4,0
75,0
410
Окись
углерода
CO + 0,5O2 = CO2
3016
3016
2,38
1,0
-
1,88
2,88
12,5
74,0
610
Метан
CH4 + 2O2 = CO2 + 2 H2O
9510
8570
9,52
1,0
2,0
7,52
10,52
5,0
15,0
545
Этан
C2H6 + 3,5O2 = 2CO2 + 3H2O
16790
15370
16,66
2,0
3,0
13,16
18,16
3,0
12,5
530
Пропан
C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O
24170
22260
23,80
3,0
4,0
18,80
25,80
2,2
9,5
504
Бутан
C4H10 + 6,5O2 = 4CO2 +
5H2O
31960
29510
30,94
4,0
5,0
24,44
33,44
1,9
8,5
430
Пентан
C5H12 + 8O2 = 5CO2 + 6H2O
40430
37410
38,08
5,0
6,0
30,08
41,08
1,4
4,8
284
Этилен
C2H4 + 3O2 ® 2CO2 + 2H2O
15050
14110
14,28
2,0
2,0
11,28
15,28
3,1
32,0
510
21960
20550
21,42
3,0
3,0
16,92
22,92
2,4
11,0
455
Пропилен C3H6 + 4,5O2 = 3CO2 + 3H2O
Бутилен
C4H8 + 6O2 = 4CO2 + 4H2O
29000
27120
28,56
4,0
4,0
22,56
30,56
2,0
9,6
440
Пентилен
C5H10 + 7,5O2 = 5CO2 +
5H2O
36000
33660
35,70
5,0
5,0
28,20
38,20
-
-
198
Ацетилен
C2H2 + 2,5O2 = 2CO2 + H2O
13855
13386
11,90
2,0
1,0
9,40
12,40
2,5
81,0
335
Теоретический расход воздуха на горение
топлива
- твердого и жидкого, м3/кг
Lв0 = 0,0889 Ср + 0,265 Нр – 0,0333(Ор - Sр)
- газообразного, м3/ м3
Lв0 = 0,0476 (2СН4+3,5С2Н6+5С3Н8+
+6,5С4Н10+8С5Н12+0,5Н2+0,5Н2)
Действительный расход воздуха
Lвд = Lв0 α,
где α - коэффициент избытка воздуха
Выход продуктов сгорания
Продукты
сгорания
Выход продуктов сгорания при сжигании топлива
Твердого и
жидкого топлива, Газообразного, м3 на 1 м3 топлива
м3 на 1 кг топлива
Углекислы
й газ
LCO2 = 0,0187 Ср
LCO2 = 0,01(СО2+СН4+2С2Н6+
3С3Н8+4С4Н10+5С5Н12+СО)
Водяной
пар
Lн2о = 0,112 Нр +
0,0124 Wр
Lн2о = 0,01(2СН4+3С2Н6+
4С3Н8+5С4Н10+6С5Н12+Н2)
Сернистый
газ
Lso2 = 0,007 Sр
--
Азот
Кислород
LN2 = 0,79 Lвд α +
0,008 Nр
LО2 = 0,21(α - 1) Lв0
LN2 = 0,79 Lвд α + 0,01 N2
LО2 = 0,21(α - 1) Lв0
ДИФФУЗИОННЫЕ ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ
а – горелка ГВП; 1 – сопло; 2 – завихритель;
3 – дроссель; 4 – направляющие; 5 – перемещение
завихригеля; 6 – перемещение дросселя
ДИФФУЗИОННЫЕ ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ
б – горелка ВРГ; 1 – сопло; 2 – завихритель;
3 – дроссель; 4 – направляющие; 5 – перемещение
завихригеля; 6 – перемещение дросселя
ДИФФУЗИОННЫЕ ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ
в – горелка ГРЦ; 1 – сопло; 2 – завихритель; 3 – дроссель;
4 – направляющие; 5 – перемещение завихригеля;
6 – перемещение дросселя
ДИФФУЗИОННЫЕ ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ
г – горелка Южгипроцемента; 1 – сопло; 2 – завихритель; 3
– дроссель; 4 – направляющие;
5 – перемещение завихригеля; 6 – перемещение дросселя
ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА ФИРМЫ Pillard
1 – завихритель; 2 – канал ввода мазутной форсунки; 3 – канал
завихряемого потока газа; 4 – канал аксиального истечения газа;
5 – канал охлаждающего воздуха; 6 – жаростойкая изоляция; 7 –
мембрана; 8 – узел регулирования щели аксиального канала; 9 –
узел регулирования положения завихрителя
МАЗУТНАЯ ФОРСУНКА С ВИНТОВЫМ
ИГОЛЬЧАТЫМ РАСПЫЛИТЕЛЕМ
1 – сопло; 2 – распылитель; 3 – шток; 4 – корпус форсунки;
5 – узел управления завихрителем
МАЗУТНАЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНАЯ
ФОРСУНКА
1 – сопло; 2 – камера завихрения; 3 – поршень с
перекрывающим стаканом; 4 – шток управления;
5 – корпус форсунки
ГАЗОМАЗУТНАЯ ВИХРЕВАЯ ГОРЕЛКА
1 – мазутное сопло; 2 – завихритель;
3 – корпус горелки;
4 – узел управления завихрителя
L факела
a
1
ф
Твоспламенения
Lо
=0,3
РЕГУЛИРОВАНИЕ ФАКЕЛАL
L факела
2
a
Qл = 5,67
м
[
ф
Тф
100
4
( )
Тм
- аг
100
L факела
1
a
( ) ]F
Твоспламенения
Lо
ф =0,3
tв
L факела
L
о
ература корпуса печи, С
2
400
300
200
100
4
a
wф
b
Vв
Твоспламенени
Lо
w
ф
b
ф =0,8
tв
L m ax
L m ax
Vв
о
Температура корпуса печи, С
РЕГУЛИРОВАНИЕ ФАКЕЛА
400
300
tв
wф
b
Vв
Твоспламенени
Lо
w
ф
b
ф =0,8
tв
L m ax
L m ax
200
100
10
40
20
30
0
Расстояние от горячего обреза печи, м
Vв
ТЕПЛООБМЕН В ФАКЕЛЬНОМ
ПРОСТРАНСТВЕ
tф=XT+Qнр –Qпот/Vп.г. Сп.г.
при а= 1 tф=max, но топливо не сгорает полностью.
Рекомендуется держать а=1.05~1,1 (О2=1-2%)
а=1
С+О2 →CO2+33900кДж/кг
2240°С
а=0,5 С+1/2O2→СО+10000кДж/кг
1340°С
а=1
СО+1/2O2→СО2+ 23400кДж/кг 2310°С
Чтобы повысить теплообмен необходимо:
1. поднять tф;
2. сконцентрировать факел и снизить потери в окружающую
среду (создать хорошую обмазку);
3. увеличить степень черноты факела - Еф (Еф=0,25-0,85)
ТЕПЛООБМЕН В ФАКЕЛЬНОМ
ПРОСТРАНСТВЕ
Тепловой поток; лучистой энергии :
Q луч=5.67•Ем [Ег• (Тф/100)4- Аг.м. • (Тм/100)4] •F,
Ем- степень черноты материала
Ег - степень черноты факела
Аг.м –поглощающая способность газа при
температуре равной температуре материала
Тф и Тм - температура факела и материала
При Тф 1550 ºС– 1650 ºС
Δt=100
Qлуч возрастает на 23%
При Тф 2050°С–2150°С
Δt =100°С
Qлуч возрастает на 47%
С понижением Тф с 1800 °С–1680°С Δt =120°С
производительность печи снижается на 17%.
Температура определяет скорость химического
взаимодействия и синтез минералов
Kc3s=Ко • е-E/RT
Kc3s –коэффициент скорости химической
реакции
Е- энергия активации процесса
R- газовая постоянная
Т- абсолютная температура
Поэтому с понижением температуры следует
учитывать необходимость более
длительного обжига материала. В зависимости от
температуры увеличивается время пребывания
материала в зоне:
е 2300/T1 /е 2300/T2 =1,53 раза
Т1=2100°С
Т2=2000°С
Снижение температуры на 100°С требует
увеличение продолжительности обжига в 1,5 раза
Но высокая температура и концентрация ее на
ограниченном участке снижает стойкость
футеровки.
Скорость горения определяется:
1. скоростью химического взаимодействия
(окисления)
К=А• е-Е/RТ
Скорость горения при T>1000 ºС уже не лимитируется
кинетическим фактором.
2. В факельном пространстве скорость молекулярной
диффузии настолько велика, что этот фактор можно
не учитывать.
Скорость молекулярной диффузии определяется
уравнением
Д=Д0 (T/T0)2
3.При высоких температурах скорость горения
определяется макродиффузией, т.е скоростью
подвода окислителя к топливу и интенсивностью их
смешения, и определяется критерием Пекле
Pe=Pr Re=0.7 Re
Критерий Рейнольдса
Re= (w·d)/ν
где: d- опред. диаметр (Д печи);
w- скорость газового потока;
ν –кинематическая вязкость газов.
С повышением скорости вылета газа из горелки
интенсивность смешения и горения возрастает, с
повышением температуры вторичного воздуха скорость
смешения и горения - замедляется - поскольку
значительно возрастает вязкость воздуха.
Конфигурация факела определяется точкой
воспламенения. Раннее воспламенение в
диффузионных горелках ухудшает подвод
окислителя и несколько удлиняет факел, который
должен быть оптимальной конфигурации.
4. Степень черноты гранулированного материала - Ем
на 30% выше, чем пылевидного и лучше теплообмен с
газом вследствие обновления поверхности при
перекатывании гранул. Для интенсификации
теплообмена при обжиге пылевидного материала
следует:
-использовать мощные цепные завесы для нагрева
материала до 450 - 500°С
-использовать технические приемы, позволяющие
перемешивать движущийся по печи материал.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТЕПЛА НА
ОБЖИГ КЛИНКЕРА ПО СОСТАВУ
ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
Важнейшей информацией о процессе горения топлива
является состав сухих отходящих газов, по данным
которого можно:
- судить о полноте сгорания топлива;
- определять подсосы воздуха по запечному тракту;
- оценивать степень подготовки материала в наиболее
энергоемкой части печи (зона декарбонизации),
снижение и увеличение слоя материала на подходе к зоне
спекания;
- рассчитывать расход тепла на обжиг цементного
клинкера.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТЕПЛА НА
ОБЖИГ КЛИНКЕРА ПО СОСТАВУ
ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
Для расчета необходимы следующие данные:
состав используемого топлива;
– процентное содержание СО2 в сухих продуктах
горения при полном сжигании топлива с коэффициентом
избытка воздуха α = 1;
р – теплота сгорания топлива, приходящаяся на 1м3 сухих
продуктов горения, рассчитываемая в теоретически
необходимом количестве воздуха;
состав сухих отходящих газов, %;
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ТЕПЛА НА
ОБЖИГ КЛИНКЕРА ПО СОСТАВУ
ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
Для расчета необходимы следующие данные:
– процентное содержание СO2 в сухих отходящих
газах, пересчитанное для условий, когда коэффициент
избытка равен 1;
состав сырьевой смеси;
количество углекислоты, выделяющейся из
сырьевой смеси при декарбонизации,
приходящейся на 1 кл клинкера.